KR101785846B1 - 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 장치 및 방법 - Google Patents

다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 장치 및 방법이 개시된다. 개시된 빔포밍 장치는 펨토 사용자들로부터 매크로 기지국의 상태에 대한 연판정 값을 전송받아 상기 펨토 사용자들의 연판정 결과를 취합하여 연판정을 수행하는 신호 감지부; 상기 신호 감지부에서의 연판정 결과에 기초하여 빔포밍 벡터를 생성하는 신호 처리부; 및 상기 생성된 빔포밍 벡터를 적용하여 신호를 송신하는 송수신 안테나부를 포함하되, 상기 펨토 사용자들의 연판정은 매크로 기지국 사용자들의 신호 전송 구간 중 일부 구간인 제1 구간에 상기 매크로 기지국 사용자들로부터의 신호를 감지하고 이에 대한 연판정을 수행하며, 상기 송수신 안테나부는 상기 매크로 기지국 사용자들의 신호 전송 구간 중 상기 제1 구간을 제외한 제2 구간에 상기 빔포밍 벡터가 적용된 신호를 송신하는 것을 특징으로 한다. 개시된 장치에 따르면, 매크로 기지국과 펨토 기지국이 공존하는 네트워크에서 간섭을 최소화하면서 에너지 효율성을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BEAM FORMING IN FEMTO BASE STATION FOR EFFICIENT ENERGY TRANSMIT OF MULTIPLE FEMTO USERS}
본 발명은 펨토 기지국의 빔포밍 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 장치 및 방법에 관한 것이다.
스마트폰 대중화가 이루어지면서 기지국이 데이터 수요 급증에 따른 트래픽 과부하 문제가 발생하게 되어 매크로 셀 기지국 위주의 기존의 셀룰러 네트워크에 소형 셀 기지국들이 설치되기 시작하면서 이종 셀룰러 네트워크가 등장하게 되었다.
이종 셀룰러 네트워크에는 매크로셀 기지국과 소형셀 기지국이 혼재하며, 매크로셀 기지국은 상대적으로 큰 송신 전력으로 송신하는 것에 비해 소형셀 기지국은 상대적으로 작은 송신 전력으로 송신한다.
펨토 기지국의 추가는 사용자와 기지국 간의 평균적인 거리가 작아지는 역할을 하기 때문에 시스템의 주파수 효율을 크게 증가시킬 수 있다. 일반적으로 펨토 기지국은 매크로 기지국과는 달리 사용자가 임의로 설치 가능하고 설치 비용도 작다는 장점이 있다. 하지만 펨토 기지국과 매크로 기지국은 서로 간의 간섭을 줄이기 위한 간섭 조정이 어렵기 때문에, 펨토 기지국의 무작위적인 설치 위치는 매크로 기지국에게 큰 간섭 피해를 줄 수 있다는 단점도 갖는다.
한편, 빔포밍 기법은 신호의 송신단에서 여러 개의 안테나를 이용해서 수신단에서 겪는 신호의 크기를 크게 증가시켜주는 기술이다. 특히 펨토 기지국에서 빔포밍을 사용하게 되는 경우, 펨토 사용자가 겪는 신호의 크기를 증가시켜줄 뿐만 아니라, 매크로 기지국에게 주는 간섭 피해량도 크게 감소시킬 수 있다. 따라서, 매크로 기지국과 펨토 기지국이 공존하는 상황에서 펨토 기지국이 빔포밍을 통해서 매크로 기지국에게 주는 간섭을 제한하면서 시스템의 주파수 효율을 최적화하기 위한 기법이 요구되고 있다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 매크로 기지국과 펨토 기지국이 공존하는 네트워크에서 인지 무선 통신의 기술을 적용하여 간섭을 최소화하면서 에너지 효율성을 증가시킬 수 있는 빔포밍 장시 및 방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 펨토 사용자들로부터 매크로 기지국의 상태에 대한 연판정 값을 전송받아 상기 펨토 사용자들의 연판정 결과를 취합하여 연판정을 수행하는 신호 감지부; 상기 신호 감지부에서의 연판정 결과에 기초하여 빔포밍 벡터를 생성하는 신호 처리부; 및 상기 생성된 빔포밍 벡터를 적용하여 신호를 송신하는 송수신 안테나부를 포함하되, 상기 펨토 사용자들의 연판정은 매크로 기지국 사용자들의 신호 전송 구간 중 일부 구간인 제1 구간에 상기 매크로 기지국 사용자들로부터의 신호를 감지하고 이에 대한 연판정을 수행하며, 상기 송수신 안테나부는 상기 매크로 기지국 사용자들의 신호 전송 구간 중 상기 제1 구간을 제외한 제2 구간에 상기 빔포밍 벡터가 적용된 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 장치가 제공된다. 상기 빔포밍 벡터는 상기 펨토 사용자들의 평균 송신 전력이 미리 설정된 임계치보다 작고, 상기 펨토 사용자들이 상기 매크로 기지국 사용자들에게 미치는 간섭이 미리 설정된 임계 간섭보다 작게 하면서, 상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성이 파레토 효율적으로 되도록 생성되는 것을 특징으로 한다.
상기 빔포밍 벡터는 상기 펨토 사용자들의 평균 송신 전력이 미리 설정된 임계치보다 작고, 상기 펨토 사용자들이 상기 매크로 기지국 사용자들에게 미치는 간섭이 미리 설정된 임계 간섭보다 작게 하면서, 상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성이 파레토 효율적으로 되도록 생성되는 것을 특징으로 한다.
상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성은 펨토 사용자의 최대 데이터 전송률과 에너지 소모량의 비율인 것을 특징으로 한다.
상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성은 매크로 기지국의 활성 여부에 따라 다음의 수학식과 같은 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112016041482404-pat00001
위 수학식에서, k 번째 펨토 사용자에 대하여,
Figure 112016041482404-pat00002
는 매크로 기지국 비활성시에 상기 k 번째 펨토 사용자가 보낼 수 있는 최대 전송률이고,
Figure 112016041482404-pat00003
는 매크로 기지국 활성시에 상기 k 번째 펨토 사용자가 보낼 수 있는 최대 전송률이며,
Figure 112016041482404-pat00004
은 상기 매크로 기지국 사용자들의 신호 전송 구간에서 상기 제2 구간이 차지하는 비율이고,
Figure 112016041482404-pat00005
는 상기 k 번째 펨토 사용자가 사용할 송신 전력이며,
Figure 112016041482404-pat00006
는 상기 k 번째 펨토 사용자에서 송신 전력 이외에 회로에서 소모되는 전력량이다.
상기 빔포밍 벡터가 상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성이 파레토 효율적으로 되도록 생성되는 것은 상기 펨토 사용자들의 평균 에너지 효율성에 대해 가중치 합이 최대가 되도록 생성되는 것을 특징으로 한다.
상기 펨토 사용자들의 평균 에너지 효율성은 다음의 수학식과 같은 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112016041482404-pat00007
위 수학식에서, k 번째 펨토 사용자에 대하여,
Figure 112016041482404-pat00008
는 매크로 기지국 비활성시의 연판정 값의 확률 밀도 함수이고,
Figure 112016041482404-pat00009
는 매크로 기지국 비활성시의 상기 k 번째 펨토 사용자의 에너지 효율성이며,
Figure 112016041482404-pat00010
는 매크로 기지국 활성시의 연판정 값의 확률 밀도 함수이고,
Figure 112016041482404-pat00011
는 매크로 기지국 활성시의 상기 k 번째 펨토 사용자의 에너지 효율성이다.
상기 펨토 사용자들의 평균 에너지 효율성에 대한 가중치 합은 다음의 수학식과 같은 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112016041482404-pat00012
위 수학식에서, k 번째 펨토 사용자에 대하여,
Figure 112016041482404-pat00013
는 상기 k 번째 펨토 사용자의 평균 에너지 효율성에 대한 가중치이고,
Figure 112016041482404-pat00014
는 상기 k 번째 펨토 사용자의 평균 에너지 효율성이다.
상기 빔포밍 벡터는 반복 연산에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 펨토 사용자들이 매크로 기지국 사용자들의 신호 전송 구간 중 일부 구간인 제1 구간에 상기 매크로 기지국 사용자들로부터의 신호를 감지하고 이에 대한 연판정을 수행하는 단계(a); 상기 펨토 사용자들 각각의 매크로 기지국의 상태에 대한 연판정 값을 전송받아 상기 펨토 사용자들 각각의 연판정 결과를 취합하여 연판정을 수행하는 단계(b); 상기 단계(b)에서의 연판정 결과에 기초하여 빔포밍 벡터를 생성하는 단계(c); 및 상기 생성된 빔포밍 벡터를 적용하여 신호를 송신하는 단계(d)를 포함하되, 상기 단계(d)는 상기 매크로 기지국 사용자의 신호 전송 구간 중 상기 제1 구간을 제외한 제2 구간에 상기 빔 포밍 벡터가 적용된 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 방법이 제공된다.
상기 빔포밍 벡터는 상기 펨토 사용자들의 평균 송신 전력이 미리 설정된 임계치보다 작고, 상기 펨토 사용자들이 상기 매크로 기지국 사용자들에게 미치는 간섭이 미리 설정된 임계 간섭보다 작게 하면서, 상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성이 파레토 효율적으로 되도록 생성되는 것을 특징으로 한다.
상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성은 펨토 사용자의 최대 데이터 전송률과 에너지 소모량의 비율인 것을 특징으로 한다.
상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성은 매크로 기지국의 활성 여부에 따라 다음의 수학식과 같은 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112016041482404-pat00015
위 수학식에서, k 번째 펨토 사용자에 대하여,
Figure 112016041482404-pat00016
는 매크로 기지국 비활성시에 상기 k 번째 펨토 사용자가 보낼 수 있는 최대 전송률이고,
Figure 112016041482404-pat00017
는 매크로 기지국 활성시에 상기 k 번째 펨토 사용자가 보낼 수 있는 최대 전송률이며,
Figure 112016041482404-pat00018
은 상기 매크로 기지국 사용자들의 신호 전송 구간에서 상기 제2 구간이 차지하는 비율이고,
Figure 112016041482404-pat00019
는 상기 k 번째 펨토 사용자가 사용할 송신 전력이며,
Figure 112016041482404-pat00020
는 상기 k 번째 펨토 사용자에서 송신 전력 이외에 회로에서 소모되는 전력량이다.
상기 빔포밍 벡터가 상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성이 파레토 효율적으로 되도록 생성되는 것은 상기 펨토 사용자들의 평균 에너지 효율성에 대해 가중치 합이 최대가 되도록 생성되는 것을 특징으로 한다.
상기 펨토 사용자들의 평균 에너지 효율성은 다음의 수학식과 같은 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112016041482404-pat00021
위 수학식에서, k 번째 펨토 사용자에 대하여,
Figure 112016041482404-pat00022
는 매크로 기지국 비활성시의 연판정 값의 확률 밀도 함수이고,
Figure 112016041482404-pat00023
는 매크로 기지국 비활성시의 상기 k 번째 펨토 사용자의 에너지 효율성이며,
Figure 112016041482404-pat00024
는 매크로 기지국 활성시의 연판정 값의 확률 밀도 함수이고,
Figure 112016041482404-pat00025
는 매크로 기지국 활성시의 상기 k 번째 펨토 사용자의 에너지 효율성이다.
상기 펨토 사용자들의 평균 에너지 효율성에 대한 가중치 합은 다음의 수학식과 같은 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112016041482404-pat00026
위 수학식에서, k 번째 펨토 사용자에 대하여,
Figure 112016041482404-pat00027
는 상기 k 번째 펨토 사용자의 평균 에너지 효율성에 대한 가중치이고,
Figure 112016041482404-pat00028
는 상기 k 번째 펨토 사용자의 평균 에너지 효율성이다.
상기 빔포밍 벡터는 반복 연산에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 매크로 기지국과 펨토 기지국이 공존하는 네트워크에서 간섭을 최소화하면서 에너지 효율성을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 이동통신 네트워크의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매크로 기지국과 펨토 기지국의 프레임 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토 기지국의 구조를 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 포밍 벡터를 결정하는 방법에 대한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 자세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 이동통신 네트워크의 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명이 적용되는 이동통신 네트워크는 매크로 기지국(210), 매크로 사용자들(220), 펨토 기지국(240) 및 펨토 사용자들(230)을 포함한다.
매크로 기지국(210)는 비교적 넓은 커버리지를 가지는 기지국이며 커버리지내의 매크로 사용자들(220)과 통신한다. 펨토 기지국(240)은 매크로 기지국(210)에 비해 작은 커버리지를 가지며 커버리지 내에 있는 펨토 사용자들(230)과 통신한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 이동통신 네트워크는 매크로 기지국(210) 및 다수의 펨토 기지국(240)이 공존하게 되며 매크로 기지국(210)과 펨토 기지국(240) 사이에는 필연적으로 간섭이 발생할 수 밖에 없으며, 본 발명은 펨토 기지국에서의 송신 전력 및 빔 포밍을 적절하게 결정하여 그 간섭을 최소화하면서 주파수 효율을 극대화시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
펨토 기지국에 대한 구성을 살펴보기에 앞서 매크로 기지국과 펨토 기지국의 프레임 구조를 살펴보기로 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매크로 기지국과 펨토 기지국의 프레임 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 매크로 사용자들(220)은 T의 주기를 갖는 신호 전송 구간 동안 매크로 기지국(210)에게 전송할 데이터를 전송한다. 매크로 기지국(210)에 전송할 데이터가 있는 경우 T의 전송 구간 동안 매크로 사용자들(220)의 데이터 전송은 활성화된다. 그러나, 사용자에게 전송할 데이터가 없는 경우 T의 전송 구간 동안 데이터 전송은 비활성화된다.
이에 비해, 펨토 기지국(240)은
Figure 112016041482404-pat00029
의 구간 동안을 신호 감지 구간으로 이용하고
Figure 112016041482404-pat00030
의 구간을 신호 전송 구간으로 이용한다.
Figure 112016041482404-pat00031
의 구간 동안 펨토 기지국(240)은 매크로 사용자(220)가 데이터를 전송하는지 여부를 감지한다. 또한, 펨토 기지국(240)은
Figure 112016041482404-pat00032
의 구간에는 펨토 사용자들(230)에게 데이터를 전송한다.
펨토 기지국(240)은 신호 감지 구간에 펨토 사용자들(230)에게 데이터를 전송할지 여부 및 데이터를 전송할 경우 어떠한 송신 전력과 빔포밍 벡터로 데이터를 전송할지 여부를 결정한다.
본 발명의 실시예에서 펨토 기지국(240)은 매크로 사용자들(220)의 채널 사용 여부를 감지하여 동작하는 인지 무선 통신과 유사하게 동작한다.
구체적으로, 펨토 기지국(240)은 매크로 사용자들(220)이 데이터를 전송할 경우 수신되는 신호를 이용하여 매크로 사용자들(220)의 상태를 연판정(Soft Decision)에 기초하여 판단한다. 즉, 펨토 기지국(240)이 수신하게 되는 신호 레벨을 다수로 구분하여 매크로 사용자들(220)의 상태를 판단하는 것이다.
펨토 기지국(240)은 연판정 상태에 기초하여 펨토 사용자들(230)에게 송신할 신호의 송신 전력 및 빔 포밍 벡터를 결정한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토 기지국의 구조를 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토 기지국은 송수신 안테나부(250), 송수신 전환 스위치(260), 신호 감지부(270) 및 신호 처리부(280)를 포함할 수 있다.
송수신 안테나부(250)는 다수의 안테나를 포함할 수 있으며 신호의 송수신을 수행한다. 송신 모드에서 송수신 안테나부(250)는 펨토 사용자들에게 신호를 송신하며, 수신 모드에서 송수신 안테나부(250)는 펨토 사용자들 또는 다른 기지국 및 사용자가 전송하는 신호를 수신한다.
송수신 전환 스위치(260)는 송신 모드 또는 수신 모드의 전환을 제어하는 기능을 한다.
신호 감지부(270)는 수신된 신호를 분석하여 매크로 사용자의 상태를 추정하는 기능을 한다.
구체적으로, 신호 감지부(270)는 송수신 안테나부(260)를 통해 수신 신호를 매초
Figure 112016041482404-pat00033
번의 빈도로 표본 추출한다. 본 명세서에서, k번째 펨토 사용자에서
Figure 112016041482404-pat00034
길이의 신호 감지 구간 동안에 얻은 표본 추출한 표본 벡터를
Figure 112016041482404-pat00035
라고 한다. 여기서
Figure 112016041482404-pat00036
는 총 표본의 숫자이다.
매크로 기지국(210)의 신호 전송이 활성화 또는 비활성화됨에 따라 표본 추출되는 신호
Figure 112016041482404-pat00037
는 다음의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112016041482404-pat00038
여기서
Figure 112016041482404-pat00039
은 k번째 펨토 사용자에서의
Figure 112016041482404-pat00040
번째 표본에 대한 잡음을 의미하고,
Figure 112016041482404-pat00041
는 매크로 기지국(210)과 k번째 펨토 사용자 사이의 채널을 의미하고, q는 매크로 기지국(210)이 사용하는 빔포밍 벡터이고,
Figure 112016041482404-pat00042
은 매크로 기지국(210)이 보내고자 하는 데이터 신호를 의미한다.
매크로 사용자가 비활성화된 경우, 신호 감지부(270)에서 검출하는 표본 검출 신호는 잡음 신호만을 포함하게 되나 매크로 사용자가 활성화될 경우 표본 검출 신호는 매크로 사용자가 전송하는 신호와 잡음을 함께 포함한다.
일례로, 잡음
Figure 112016041482404-pat00043
은 평균값이 0이고 파워가
Figure 112016041482404-pat00044
인 AWGN(Additive White Gaussian Noise)일 수 있으며,
Figure 112016041482404-pat00045
은 평균값이 0이고 파워가
Figure 112016041482404-pat00046
일 수 있다.
각 펨토 사용자는 표본 벡터를 이용해 다음의 수학식 2와 같이 매크로 기지국의 상태에 대한 연판정
Figure 112016041482404-pat00047
를 구한다.
Figure 112016041482404-pat00048
k 번째 펨토 사용자는 연판정 결과
Figure 112016041482404-pat00049
와 함께 k 번째 펨토 사용자와 매크로 사용자들(220) 사이의 채널인
Figure 112016041482404-pat00050
를 펨토 기지국 (240)에 전달한다. 여기서
Figure 112016041482404-pat00051
은 k 번째 펨토 사용자와 n 번째 매크로 사용자 사이의 채널을 의미한다. 이 정보는 송수신 안테나부(250)에 수신되며, 송수신 전환 스위치(260)를 통해 신호 감지부(270)로 전달되고, 신호 감지부(270)는 전달 받은 연판정들을 취합해 다음의 수학식 3과 같이 최종 연판정 결과 v를 계산한다.
Figure 112016041482404-pat00052
신호 감지부에서 구한 연판정 값 v는 신호 처리부(280)로 전달된다. 신호 처리부(280)는 연판정 값 v를 이용하여 펨토 기지국(240)이 신호 전송 구간에서 사용할 빔포밍 벡터
Figure 112016041482404-pat00053
를 결정한다. 여기서
Figure 112016041482404-pat00054
는 k 번째 펨토 사용자가 사용할 송신 전력이다.
또한, 신호 처리부(280)는 결정되는 빔포밍 벡터 p(v)를 송수신 안테나부(250)를 통해 펨토 사용자(230)에게 송신한다. k 번째 펨토 사용자는 전달받은 정보
Figure 112016041482404-pat00055
를 이용하여 펨토 기지국(240)에 데이터를 송신한다. 매크로 기지국(210)의 신호 전송이 활성화 되어있을 경우와 비활성화 되어있을 경우에 따라 펨토 기지국(240)이 받게 되는 수신 신호는 각각 상이하다.
펨토 기지국(240)이 수신하는 수신 신호 r은 다음의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016041482404-pat00056
수학식 4에서,
Figure 112016041482404-pat00057
는 k 번째 펨토 사용자와 펨토 기지국(240) 사이의 채널을 의미하고,
Figure 112016041482404-pat00058
는 k 번째 펨토 사용자가 송신하고자 하는 데이터 신호를 의미하며,
Figure 112016041482404-pat00059
는 각 성분의 평균이 0이고 파워가
Figure 112016041482404-pat00060
인 잡음 벡터를 의미하고,
Figure 112016041482404-pat00061
는 매크로 기지국(210)과 펨토 기지국(240) 사이의 채널을 의미한다.
일례로, 펨토 기지국(240)은 zero-forcing 수신기
Figure 112016041482404-pat00062
를 사용하여 신호를 수신할 수 있다. 여기서
Figure 112016041482404-pat00063
는 펨토 사용자들(230)과 펨토 기지국(240) 사이의 채널행렬을 의미한다.
매크로 사용자의 송신이 비활성화될 경우, 펨토 사용자는 펨토 기지국으로부터의 신호만을 수신하게 되나, 매크로 사용자의 송신이 활성화될 경우 매크로 사용자와 펨토 기지국으로부터 함께 신호를 수신하게 된다.
이 때, k 번째 펨토 사용자가 보낼 수 있는 최대 전송률은 다음의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다. k 번째 펨토 사용자(230)가 보낼 수 있는 최대 전송률은 매크로 기지국(210)의 신호 전송이 활성화되는 경우와 비활성화되는 경우가 상이하다.
Figure 112016041482404-pat00064
수학식 5에서
Figure 112016041482404-pat00065
은 전체 프레임 길이 T 중에서 펨토 기지국의 신호 전송 구간(130)이 차지하는 비율을 의미하고,
Figure 112016041482404-pat00066
는 매크로 기지국 비활성시의 실질적인 채널크기에 해당하며,
Figure 112016041482404-pat00067
는 매크로 기지국 활성시의 실질적인 채널 크기에 해당한다. 여기서 I는 매크로 기지국 활성시의 간섭량이다.
수학식 5로부터 최종 감지 결과가 v 인 경우, k 번째 펨토 사용자가 얻게 되는 사용자 에너지 효율성은 k 번째 펨토 사용자의 최대 데이터 전송률과 k 번째 펨토 사용자의 에너지 소모량의 비율로 다음의 수학식 6과 같다.
Figure 112016041482404-pat00068
수학식 6에서
Figure 112016041482404-pat00069
는 k 번째 펨토 사용자에서 송신 전력 이외에 회로에서 소모되는 전력량이다.
상기 수학식 6으로부터 k 번째 펨토 사용자가 얻게 되는 평균 에너지 효율성은 다음의 수학식 7과 같다.
Figure 112016041482404-pat00070
여기서
Figure 112016041482404-pat00071
는 매크로 기지국 비활성시 최종 감지 결과 v 의 확률 밀도 함수(probability density function)이고,
Figure 112016041482404-pat00072
는 매크로 기지국 활성시 최종 감지 결과 v 의 확률 밀도 함수이다.
한편, 펨토 기지국(230)의 신호 전송 구간(130)동안, k 번째 펨토 사용자의 평균 송신 전력과 펨토 사용자들(230)이 n번째 매크로 사용자에게 미치는 간섭량은 각각 다음의 수학식 8 및 다음의 수학식 9와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112016041482404-pat00073
Figure 112016041482404-pat00074
위 수학식 9에서
Figure 112016041482404-pat00075
은 k 번째 펨토 사용자와 n 번째 매크로 사용자 사이의 채널을 의미한다.
신호 처리부(280)는 빔 포밍 벡터 p(v)를 결정할 때 펨토 사용자들 (230)의 송신 전력
Figure 112016041482404-pat00076
는 수학식 8의 각 펨토 사용자들이 사용하는 평균 송신 전력이 미리 설정된 임계 송신 전력인
Figure 112016041482404-pat00077
보다 작아지도록 빔 포밍 벡터를 결정한다. 또한, 수학식 9에 표현된 펨토 사용자들(230)이 각 매크로 사용자에게 미치는 평균 간섭량이 미리 설정된 임게 간섭치인
Figure 112016041482404-pat00078
보다 작아지도록 신호 처리부(280)는 빔 포밍 벡터 p(v)를 결정한다. 또한, 빔 포밍 벡터는 수학식 7의 K 개의 사용자별 평균 에너지 효율성을 파레토 효율적(Pareto efficient)으로 최적화하도록 결정될 수 있다.
일례로, 사용자별 평균 에너지 효율성을 파레토 효율적으로 고려하기 위해 다음의 수학식 10과 같이 사용자별 평균 에너지 효율성들의 가중치 합 (weighted sum)을 고려할 수 있다.
Figure 112016041482404-pat00079
여기에서
Figure 112016041482404-pat00080
는 k 번째 펨토 사용자의 평균 에너지 효율성에 대한 가중치이다.
이하에서는 신호 처리부(280)에서 빔 포밍 벡터
Figure 112016041482404-pat00081
를 결정하는 과정을 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 포밍 벡터를 결정하는 방법에 대한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 빔 포밍 벡터 연산을 위해 사용되는 변수이며 라그랑제 멀티 플라이어에 해당되는
Figure 112016041482404-pat00082
,
Figure 112016041482404-pat00083
로 설정한다(단계 400). 위 첨자는 루프 반복수를 의미한다.
Figure 112016041482404-pat00084
번째 루프에서는 다음의 수학식 11과 같이, 공지된 기술인 Golden section search를 사용하여
Figure 112016041482404-pat00085
를 계산할 수 있다(단계 402).
Figure 112016041482404-pat00086
여기서, 각 k 와 v 에 대해 수학식 11에 표현된
Figure 112016041482404-pat00087
를 최대화하는
Figure 112016041482404-pat00088
를 찾고, 이를
Figure 112016041482404-pat00089
라고 한다(단계 404).
수학식 11에서 구한
Figure 112016041482404-pat00090
를 이용하여 다음의 수학식 12 및 다음의 수학식 13을 이용하여 방향 벡터 를 구한다(단계 406).
Figure 112016041482404-pat00092
Figure 112016041482404-pat00093
상기 수학식 12에서
Figure 112016041482404-pat00094
은 모든 k 와 v 에 대해
Figure 112016041482404-pat00095
를 모은 벡터를 의미한다.
다음으로, 수학식 12를 통해 구한 방향 벡터
Figure 112016041482404-pat00096
와 다음의 수학식 14를 이용해
Figure 112016041482404-pat00097
를 계산한다(단계 408).
Figure 112016041482404-pat00098
수학식 14에서,
Figure 112016041482404-pat00099
는
Figure 112016041482404-pat00100
를 의미하고,
Figure 112016041482404-pat00101
는
Figure 112016041482404-pat00102
의 k 번째 성분을 의미하며,
Figure 112016041482404-pat00103
은
Figure 112016041482404-pat00104
번째 루프에서의 스텝사이즈로
Figure 112016041482404-pat00105
을 의미한다.
위의 과정을
Figure 112016041482404-pat00106
가 정해진 임계치보다 작아질 때까지 반복한다(단계 410). 일례로, 임계치는
Figure 112016041482404-pat00107
일 수 있다.
루프의 반복이 끝났을 경우의 루프 수를
Figure 112016041482404-pat00108
라고 한다면 최적의 빔포밍 벡터
Figure 112016041482404-pat00109
로 설정한다(단계 412).
살펴본 바와 같이, 본 발명의 빔포밍 장치 및 방법은 각각의 펨토 사용자의 평균 송신 전력이 특정한 송신 전력 기준치보다 작게 하고, 펨토 사용자들(230)이 매크로 사용자들(220)에게 미치는 평균 간섭량이 특정한 간섭 기준치보다 작게 하면서, 펨토 사용자들(230)의 사용자별 에너지 효율성을 파레토 효율적으로 최적화하도록 설계되었다. 따라서 본 발명의 빔포밍 장치 및 방법을 이용한다면, 매크로 기지국과 펨토 기지국이 공존하는 상황에서 매크로 기지국의 성능을 보장하면서도 펨토 사용자들의 에너지 효율성을 크게 증가시킬 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
210: 매크로 기지국
220: 매크로 사용자들
230: 펨토 사용자들
240: 펨토 기지국
250: 송수신 안테나부
260: 송수신 전환 스위치
270: 신호 감지부
280: 신호 처리부

Claims (16)

  1. 펨토 사용자들로부터 매크로 기지국의 상태에 대한 연판정 값을 전송받아 상기 펨토 사용자들의 연판정 결과를 취합하여 연판정을 수행하는 신호 감지부;
    상기 신호 감지부에서의 연판정 결과에 기초하여 빔포밍 벡터를 생성하는 신호 처리부; 및
    상기 생성된 빔포밍 벡터를 적용하여 신호를 송신하는 송수신 안테나부를 포함하되,
    상기 펨토 사용자들의 연판정은 매크로 기지국 사용자들의 신호 전송 구간 중 일부 구간인 제1 구간에 상기 매크로 기지국 사용자들로부터의 신호를 감지하고 이에 대한 연판정을 수행하며,
    상기 송수신 안테나부는 상기 매크로 기지국 사용자들의 신호 전송 구간 중 상기 제1 구간을 제외한 제2 구간에 상기 빔포밍 벡터가 적용된 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빔포밍 벡터는 상기 펨토 사용자들의 평균 송신 전력이 미리 설정된 임계치보다 작고, 상기 펨토 사용자들이 상기 매크로 기지국 사용자들에게 미치는 간섭이 미리 설정된 임계 간섭보다 작게 하면서, 상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성이 파레토 효율적으로 되도록 생성되는 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성은 펨토 사용자의 최대 데이터 전송률과 에너지 소모량의 비율인 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성은 매크로 기지국의 활성 여부에 따라 다음의 수학식과 같은 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 장치.
    Figure 112016041482404-pat00110

    위 수학식에서, k 번째 펨토 사용자에 대하여,
    Figure 112016041482404-pat00111
    는 매크로 기지국 비활성시에 상기 k 번째 펨토 사용자가 보낼 수 있는 최대 전송률이고,
    Figure 112016041482404-pat00112
    는 매크로 기지국 활성시에 상기 k 번째 펨토 사용자가 보낼 수 있는 최대 전송률이며,
    Figure 112016041482404-pat00113
    은 상기 매크로 기지국 사용자들의 신호 전송 구간에서 상기 제2 구간이 차지하는 비율이고,
    Figure 112016041482404-pat00114
    는 상기 k 번째 펨토 사용자가 사용할 송신 전력이며,
    Figure 112016041482404-pat00115
    는 상기 k 번째 펨토 사용자에서 송신 전력 이외에 회로에서 소모되는 전력량임.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 빔포밍 벡터가 상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성이 파레토 효율적으로 되도록 생성되는 것은 상기 펨토 사용자들의 평균 에너지 효율성에 대해 가중치 합이 최대가 되도록 생성되는 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 펨토 사용자들의 평균 에너지 효율성은 다음의 수학식과 같은 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 장치.
    Figure 112016041482404-pat00116

    위 수학식에서, k 번째 펨토 사용자에 대하여,
    Figure 112016041482404-pat00117
    는 매크로 기지국 비활성시의 연판정 값의 확률 밀도 함수이고,
    Figure 112016041482404-pat00118
    는 매크로 기지국 비활성시의 상기 k 번째 펨토 사용자의 에너지 효율성이며,
    Figure 112016041482404-pat00119
    는 매크로 기지국 활성시의 연판정 값의 확률 밀도 함수이고,
    Figure 112016041482404-pat00120
    는 매크로 기지국 활성시의 상기 k 번째 펨토 사용자의 에너지 효율성임.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 펨토 사용자들의 평균 에너지 효율성에 대한 가중치 합은 다음의 수학식과 같은 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 장치.
    Figure 112016041482404-pat00121

    위 수학식에서, k 번째 펨토 사용자에 대하여,
    Figure 112016041482404-pat00122
    는 상기 k 번째 펨토 사용자의 평균 에너지 효율성에 대한 가중치이고,
    Figure 112016041482404-pat00123
    는 상기 k 번째 펨토 사용자의 평균 에너지 효율성임.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 빔포밍 벡터는 반복 연산에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 장치.
  9. 펨토 사용자들이 매크로 기지국 사용자들의 신호 전송 구간 중 일부 구간인 제1 구간에 상기 매크로 기지국 사용자들로부터의 신호를 감지하고 이에 대한 연판정을 수행하는 단계(a);
    상기 펨토 사용자들 각각의 매크로 기지국의 상태에 대한 연판정 값을 전송받아 상기 펨토 사용자들 각각의 연판정 결과를 취합하여 연판정을 수행하는 단계(b);
    상기 단계(b)에서의 연판정 결과에 기초하여 빔포밍 벡터를 생성하는 단계(c); 및
    상기 생성된 빔포밍 벡터를 적용하여 신호를 송신하는 단계(d)를 포함하되,
    상기 단계(d)는 상기 매크로 기지국 사용자의 신호 전송 구간 중 상기 제1 구간을 제외한 제2 구간에 상기 빔 포밍 벡터가 적용된 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 빔포밍 벡터는 상기 펨토 사용자들의 평균 송신 전력이 미리 설정된 임계치보다 작고, 상기 펨토 사용자들이 상기 매크로 기지국 사용자들에게 미치는 간섭이 미리 설정된 임계 간섭보다 작게 하면서, 상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성이 파레토 효율적으로 되도록 생성되는 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성은 펨토 사용자의 최대 데이터 전송률과 에너지 소모량의 비율인 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성은 매크로 기지국의 활성 여부에 따라 다음의 수학식과 같은 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 방법.
    Figure 112016041482404-pat00124

    위 수학식에서, k 번째 펨토 사용자에 대하여,
    Figure 112016041482404-pat00125
    는 매크로 기지국 비활성시에 상기 k 번째 펨토 사용자가 보낼 수 있는 최대 전송률이고,
    Figure 112016041482404-pat00126
    는 매크로 기지국 활성시에 상기 k 번째 펨토 사용자가 보낼 수 있는 최대 전송률이며,
    Figure 112016041482404-pat00127
    은 상기 매크로 기지국 사용자들의 신호 전송 구간에서 상기 제2 구간이 차지하는 비율이고,
    Figure 112016041482404-pat00128
    는 상기 k 번째 펨토 사용자가 사용할 송신 전력이며,
    Figure 112016041482404-pat00129
    는 상기 k 번째 펨토 사용자에서 송신 전력 이외에 회로에서 소모되는 전력량임.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 빔포밍 벡터가 상기 펨토 사용자들의 에너지 효율성이 파레토 효율적으로 되도록 생성되는 것은 상기 펨토 사용자들의 평균 에너지 효율성에 대해 가중치 합이 최대가 되도록 생성되는 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 펨토 사용자들의 평균 에너지 효율성은 다음의 수학식과 같은 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 방법.
    Figure 112016041482404-pat00130

    위 수학식에서, k 번째 펨토 사용자에 대하여,
    Figure 112016041482404-pat00131
    는 매크로 기지국 비활성시의 연판정 값의 확률 밀도 함수이고,
    Figure 112016041482404-pat00132
    는 매크로 기지국 비활성시의 상기 k 번째 펨토 사용자의 에너지 효율성이며,
    Figure 112016041482404-pat00133
    는 매크로 기지국 활성시의 연판정 값의 확률 밀도 함수이고,
    Figure 112016041482404-pat00134
    는 매크로 기지국 활성시의 상기 k 번째 펨토 사용자의 에너지 효율성임.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 펨토 사용자들의 평균 에너지 효율성에 대한 가중치 합은 다음의 수학식과 같은 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 방법.
    Figure 112016041482404-pat00135

    위 수학식에서, k 번째 펨토 사용자에 대하여,
    Figure 112016041482404-pat00136
    는 상기 k 번째 펨토 사용자의 평균 에너지 효율성에 대한 가중치이고,
    Figure 112016041482404-pat00137
    는 상기 k 번째 펨토 사용자의 평균 에너지 효율성임.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 빔포밍 벡터는 반복 연산에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 방법.
KR1020160052910A 2016-04-29 2016-04-29 다수의 펨토 사용자들의 효율적 에너지 송신을 위한 펨토 기지국의 빔포밍 장치 및 방법 KR101785846B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Hyunsung Park et al., 'Optimal beamforming and power allocation for cognitive femto base stations based on soft decision', IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol.33, No.5, May 2015

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